旋转区域 | 搅拌器Flow Simulation案例

搅拌器混合罐Solidworks Flow Simulation仿真案例

（旋转区域模型）

1建模

·您可以直接打开模型文件（mixing tank.STEP），以便您跳过建模阶段，快速学习本章仿真内容。

1.1案例介绍

搅拌过程仿真通常借助计算流体动力学（CFD）软件，模拟搅拌器在罐内引发的流体运动状态。此类仿真能够帮助工程师与设计师深入理解搅拌器的运行性能、混合效率以及潜在的优化空间。本文将具体介绍如何使用Flow Simulation对叶片搅拌器进行仿真分析，以此学习旋转区域模型。如有不足之处，恳请各位读者指正。

旋转区域模型是一个非常关键的功能，用于模拟旋转部件与流体之间的相互作用。它属于什么模型？

旋转区域是实现旋转机械（如泵、风机、搅拌器）仿真的核心模型之一。它通过在旋转部件周围定义一个特定的区域，并赋予该区域旋转运动，来驱动内部或周围的流体。

1.2模型处理

本次仿真为内部仿真，首先简化电机、支腿等不参与计算的模型。

在罐体内绘有实体块表示静止状态下的流体。

在搅拌器叶片附近，绘有一稍大于叶片的圆柱体表示搅拌器有效旋转域。

PS:对于搅拌器仿真，旋转域尺寸的设置对计算精度、稳定性和计算成本都有显著影响。不必要地增大了旋转域的体积。在瞬态滑移网格计算中，这意味着每一时间步都需要更新和计算更多的网格单元，显著增加计算成本。总的来说，没有一个绝对统一的“黄金标准”，但有一个普遍推荐的范围和重要的设置原则。

核心原则： 旋转域的边界应该位于流动充分发展的区域，并且远离叶片尖端这个强剪切、高湍流的区域。这样可以避免动域与静域交界面位于流动复杂区域，导致计算不稳定、收敛困难或结果失真。

推荐范围：通常，旋转域的直径（对于圆柱形旋转域）应比叶片的扫掠直径（即叶片尖端画出的圆的直径）大10% 到 20%。

一个常用且安全的起点是： 旋转域直径 = 叶片扫掠直径 × 1.2。

例如，如果你的叶片直径是 100mm，那么旋转域直径可以设置为 120mm。

2设置

2.1向导设置

（1）项目名称

自定义项目名称及注释，点击下一步。

（2）单位设置

在单位制选项卡上，可以从单位数据库中为输入和输出（结果）选择单位制。

（3）分析类型选择

在分析类型选项卡上，可以为要使用 Flow Simulation 求解的问题定义所需的分析类型并选择特定的物理特征选项。选择局部区域（滑移），自动激活瞬态分析，分析总时间设置为5s。

指定重力方向为全局坐标系Y轴反方向，此时会出现重力示意箭头。

分析类型为内部，模型识别为CAD布尔，取消勾选“排除不具备条件的腔”。

旋转：可以使用以下旋转类型：

1）全局旋转。使用此选项，模型和全局坐标系可视为以指定的角速度旋转。全局旋转参考坐标系适用于所有非旋转模型组件都相对选定的旋转轴保持轴对称的情况。比喻：整个洗衣机在转。

2）局部区域（均值）。此选项用于在动静干涉较弱的情况下，通过指定模型内的多个局部旋转参考坐标系来模拟不是绕转体的旋转固体周围区域的流体流动。旋转区域内的流动参数将使用稳态方法进行计算，并在旋转区域的边界求均值。比喻：在静止房间里，把风扇叶片区域“标记”为旋转区。

3）局部区域（滑移）。此选项用于在动静干涉较强的情况下，指定模型内的多个局部旋转坐标系。“滑移”方法假设流场不稳定，并且仅可用于随时间变化分析。在此假设下，可获得比使用“平均”方法更精确的模拟，但由于此方法要求非稳态数值解，因此它的计算要求比“平均”方法更苛刻。比喻：在静止房间里，实时、精确地模拟风扇叶片的每一帧转动。

简单决策流程：

整个模型都在转吗？ → 是 → 全局旋转

不是？ → 动静干涉强吗？或者需要捕捉瞬态现象吗？

否 → 用 局部区域（均值） （又快又省）

是 → 用 局部区域（滑移） （虽慢但准）

模型处理：这部分功能的核心目的是帮助用户在保证关键区域计算精度的前提下，通过选择合适的处理方法和排除非关键区域，来显著提升计算效率、节省计算资源。核心设置可以分为三个方面：

1）分析类型

内部流动：流体在封闭的固体边界内流动，如管道、油箱。模型必须完全封闭。

外部流动：物体被流体包围，如汽车、飞机周围的流动。计算域是边界。

2）模型识别方法（布尔运算）          
这个选项决定了软件如何区分模型中的固体和流体区域：

CAD布尔：使用CAD软件（如SOLIDWORKS）自身的逻辑进行计算，精度高。

预处理器布尔：使用流体分析软件自己的逻辑，可能更擅长处理复杂的装配体。

网格布尔：在网格层面进行处理，能支持像扫描得到的“网格几何体”这类不规则模型。

3）附加选项（用于节省资源）          
对于内部有空洞或不参与流动的封闭空间的复杂模型，可以通过以下选项忽略它们，避免不必要的网格划分和计算：

排除不具备条件的腔：自动忽略那些没有设置任何边界条件（如进口、风扇）的内部空腔。

排除内部空间：在外部流动分析中，直接忽略整个模型内部的空腔。

4）指定流体

此处需要新建一个流体，为水（2）用以观察水的流动。

5）初始条件定义

壁面条件默认进入下一步，将水质量分数表示为1，水（2）改为0。此数值表示搅拌器内水可以满罐，忽略空气影响。

点击完成后出现流体域。

2.2工作流设置

1）计算域确定

此时显示的流体域并不完全。这是因为旋转域及流体域（静止）为实体，因此需要禁用相关组件。

在Flow Simulation的眼中，世界是由两种东西构成的：

  1.流体区域： 可以流动、传热的空间（软件会在这里划分网格并进行计算）。

   2.固体区域： 不能流动、但可以导热的实体（软件通常会忽略其内部，只计算其表面的热传递）。

解决方案就是“禁用固体组件”：
当你“禁用”这个立方体零件后，你相当于告诉Flow Simulation：          
“请忽略这个零件的固体属性，不要把它当成一个实心块。请把它当作一个‘无形的容器’或‘虚拟的壳’，它的外壁就是流体区域的边界。现在，请计算这个‘容器’内部的流体空间。”

右键输入数据，点击组件控制，将不参与计算的部件抑制，同时禁用water、rotation等。

此时右键计算域，点击编辑定义，点击重置。

自动生成内部流体计算域。

2）旋转区域设定

右键旋转区域，点击插入旋转域。选择rotation，角速度设为120RPM。

选中的实体会高亮显示。

3）插入初始条件

可用于指定特定流体区域或固体区域内的初始参数分布，此分布不同于在向导或常规设置对话框中指定的默认初始条件。右键初始条件，点击插入初始条件，选择water，将水（2）设为1，表示静止时水位。

软件在计算开始时，会首先用向导设置的全局初始条件填充整个计算域。然后，它会检查是否有工作流中设置的局部初始条件。如果存在局部条件，软件就会在对应的局部区域，用局部条件的值覆盖掉全局条件。

优先级的比喻：

  ·向导初始条件就像是画布的底色（比如一张白纸）。

  ·工作流初始条件就像是你在白纸上某些特定区域涂上的彩色颜料。

最终画面（模拟的初始状态）是底色和彩色颜料共同作用的结果，但彩色 区域（局部条件）的优先级更高，会覆盖掉下面的白色（全局条件）。

总结：

  ·当你的模型所有部分都从一个均匀的状态开始时，只用向导初始条件就足够了。

  ·当你的模型内部存在不同状态的区域时（例如，一个热的部件、一个充满不同气体的腔体、一个已经有初始流动的区域），就必须使用工作流中的局部初始条件来精确描述这些区域的初始状态，这是获得准确结果的关键。

因此，向导设定了“故事的背景”，而工作流则定义了“故事中 特定角色的起始位置”。

4）监控

右键目标，点击插入表面目标。选择fan，以扭矩用于控制目标收敛。

5）网格划分

在本案例中，直接使用全局网格。实际上，您应当对如壁面、旋转域等做适当加密，在专门的课程会有陈述。

右键网格，插入全局网格。初始网格级别设置为5。

点击显示基础网格，您可以看到网格分布情况。

6）求解设置

右键输入数据，点击计算控制选项，点击保存，勾选瞬态浏览器中的周期性。

点击参数，自定义参数列表，按下图勾选参数。此目的是为了记录瞬态过程参数变化。

点击运行。

计算收敛且迭代完成后，将提示求解完成。

3.后处理

右键切面图，点击插入。

选择前视基准面，选择等高线。等高线参数选择体积分量 水（2）。

可以看到水在搅拌罐内体积分量的分布切面图。

右键结果，点击加载时间距，可选择不同时间下的体积分量变化。

如选择0s时，即代表静止时刻罐内水的分布情况。

补充：

旋转区域模型和风扇模型区别：

"旋转区域模型"通过直接模拟叶片周围的流场来计算其影响；而"风扇模型"则不关心叶片的具体形状和瞬时流动，它通过预先获得的性能曲线来宏观地代表风扇对流动的作用。

结语：

本仿真所用模型为自建模，您也可以根据本教程结合自身模型进行相关模拟。本资料含有配套精讲视频，欢迎各位批评指正！